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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7, zum Steuern einer Brennkraftmaschine.
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Von besonderem Interesse ist hierbei z. B. die Steuerung von einem Otto- oder Dieselmotor, der als Antriebsquelle in einem Kraftfahrzeug mit so genannter Start/Stopp-Automatik oder in einem Hybridfahrzeug verwendet wird. Diesen Anwendungsfällen ist gemein, dass die Brennkraftmaschine im Rahmen eines energieeffizienten Antriebsmanagements des betreffenden Fahrzeuges relativ häufig ein- und ausgeschaltet wird.
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Ein Verfahren und ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7 ist beispielsweise aus der
DE 100 56 862 C1 bekannt.
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Dieser Stand der Technik beschäftigt sich mit einer besonderen ”Strategie”, um beim Start des Motors (Brennkraftmaschine) je einen Kraftstoff-Voreinspritzer pro Zylinder einzuspritzen noch bevor eine vollständige Kenntnis (”Synchronisation”) des Kurbelwellenwinkels und des Nockenwellenwinkels vorhanden ist.
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Die Voreinspritzer dienen dazu, während der Startphase für jeden Zylinder ein zündfähiges Gemisch für die erste Verbrennung bereitzustellen. Hierbei ist eine gezielte Voreinspritzstrategie erforderlich, um den Ausstoß von unverbranntem Kraftstoff und somit erhöhte Schadstoffemissionen während des Motorstarts zu minimieren.
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Zwar könnte eine überhöhte Schadstoffemission dadurch vermieden werden, dass die Voreinspritzer erst abgesetzt werden, wenn die genauen Winkelstellungen der Kurbelwelle und der Nockenwelle bekannt sind. Bedingt durch die übliche Gestaltung von Kurbelwellen- und Nockenwellensensoren erfordert dies jedoch eine gewisse Zeit bzw. Kurbelwellen- und Nockenwellendrehung, so dass der Motorstart erheblich verzögert wäre.
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Die gemäß der
DE 100 56 862 C1 vorgesehene Voreinspritzstrategie beruht auf der Erkenntnis, dass eine Brennkraftmaschine nach dem Abschalten im ausgekuppelten Zustand nahezu immer an einer von konstruktionsbedingt mehreren bestimmten diskreten Winkelpositionen von Kurbelwelle und Nockenwelle stehen bleibt, wobei die Anzahl der diskreten Winkelpositionen über zwei Kurbelwellenumdrehungen (720°) der Anzahl der Zylinder entspricht. Im Falle von beispielsweise 4 Zylindern ergeben sich somit 4 Vorzugsstillstandwinkel der Kurbelwelle. Auch unter Mitberücksichtigung dieser Erkenntnis bei einer Auswertung von Kurbelwellensignal und Nockenwellensignal während der Startphase verbleibt bei dieser bekannten Strategie jedoch eine gewisse Unsicherheit. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird beispielsweise zwar sichergestellt, dass jeweils nur Voreinspritzer für Zylinder abgesetzt werden, deren Einlassventil zu diesem Zeitpunkt geschlossen oder überwiegend geschlossen ist, so dass diese Voreinspritzer zuverlässig zur Verbrennung kommen. Nachteilig ist jedoch, dass unter Umständen ein früherer für einen Voreinspritzer tatsächlich bereits geeigneter Zeitpunkt ”verpasst” wird.
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Es wäre daher wünschenswert, mehr Information betreffend den Motorzustand, insbesondere für die Ermittlung des Nockenwellenwinkels, während der Startphase zur Verfügung zu haben, um eine verbesserte Voreinspritzstrategie zu ermöglichen. Dies z. B. in Ergänzung zu hierfür bislang bereits vorgesehener Sensorik (z. B. Kurbelwellen- und Nockenwellensensoren).
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass mindestens ein von einem Zylinderdrucksensor zur Messung des Drucks in einem zugeordneten Zylinder geliefertes Zylinderdrucksignal im Hinblick auf Störsignale ausgewertet wird, und dass das Auswertungsergebnis zumindest während der Startphase bei einer Ermittlung des Nockenwellenwinkels berücksichtigt wird.
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Zylinderdrucksensoren sind im Bereich der Motortechnik an sich bekannt und dienen der Messung des Zylinderdrucks. Das Zylinderdrucksignal wird im Stand der Technik lediglich für die Auswertung der Verbrennung herangezogen. Damit können z. B. Fehler bei der Zumessung des Kraftstoffes, der Luftmasse oder eines zurückgeführten Verbrennungsabgasanteils bestimmt bzw. korrigiert werden. Hierfür wird im Stand der Technik entweder nur ein einziger Zylinderdrucksensor an einem der Zylinder als Repräsentant für die Gesamtheit aller Zylinder herangezogen, oder alternativ für jeden Zylinder ein eigener Zylinderdrucksensor vorgesehen.
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Derartige Zylinderdrucksensoren besitzen üblicherweise eine so hohe Empfindlichkeit bzw. ein so hohes Auflösungsvermögen bei der Messung des Zylinderdruckes, dass diese auch anfällig für Störgeräusche sind, die sich (als Körperschall) durch einen z. B. metallischen Zylinderblock ausbreiten. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die durch derartige Störgeräusche hervorgerufenen Störsignale in einem oder mehreren Zylinderdrucksignalen, die durch einen oder mehrere Zylinderdrucksensoren erfasst werden, als Informationsquelle betreffend den Motorzustand, insbesondere Nockenwellenwinkel, während der Startphase zu nutzen. Wenn eine oder mehrere Nockenwellen sich drehen, um damit den Ventiltrieb (Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassventilen) zu bewerkstelligen, so entstehen Geräusche, welche zu charakteristischen Störsignalen in dem bzw. den Zylinderdrucksignalen führen. Durch die erfindungsgemäße Auswertung des (wenigstens einen) Zylinderdrucksignals im Hinblick auf solche Störsignale können somit vorteilhaft Rückschlüsse auf den Nockenwellenwinkel gezogen werden. Dies z. B. durch Anwendung geeignet vorbestimmter Auswertungskriterien, anhand derer im Motorsteuergerät eine Identifikation von Vorgängen im Ventiltrieb erfolgt.
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Ein mögliches Auswertungskriterium kann z. B. darin bestehen, plötzliche Änderungen, also etwa Unstetigkeiten bzw. ”Signalspitzen” im gemessenen Druckverlauf zu detektieren und anhand ihrer Charakteristik (z. B. Amplitude, Frequenzanteile, Dauer etc.) und/oder anhand zusätzlicher Informationen über die Motorposition (z. B. Vorzugsstillstandwinkel, Kurbelwellensignal, Nockenwellensignal etc.) einem ganz bestimmten Vorgang im Ventiltrieb zuzuordnen. Eine derartige Vorgehensweise ist wesentlich einfacher, schneller und oftmals präziser als z. B. eine Auswertung auf Basis eines Vergleiches des gemessenen Druckverlaufes (Zylinderdrucksignal) mit vorab gespeicherten typischen Druckverläufen.
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Insbesondere kann die Auswertung im Hinblick auf Störsignale erfolgen, die durch die Einlassventile und/oder Auslassventile bei deren Betätigung hervorgerufen werden.
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Ein in der Praxis besonders deutlich hervortretendes und somit vergleichsweise einfach durch eine Auswertung detektierbares Störsignal ergibt sich z. B. beim Abschluss eines Schließvorganges eines Ventils (Einlass- oder Auslassventil). Das zu diesem Zeitpunkt erfolgende Aufsetzen eines Ventilkörpers (z. B. Ventilteller) auf eine Dichtungsfläche im Bereich einer den zugehörigen Zylinder begrenzenden Wandung führt zu einer mechanischen Erschütterung, die sich als Störsignal (z. B. ”Signalspitze”) im eigentlichen Nutzsignal (repräsentativ für den Zylinderdruck) sehr deutlich bemerkbar macht.
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Im Fall einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist es insbesondere im Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Identifizierung desjenigen Ventils, welches ein bestimmtes Störsignal hervorgerufen hat, bevorzugt, dass die Zylinderdrucksignale von sämtlichen Zylindern jeweils zugeordneten Zylinderdrucksensoren ausgewertet werden. Hierfür muss jeder Zylinder mit mindestens einem Zylinderdrucksensor versehen sein, der z. B. im Bereich eines betreffenden Zylinderkopfes eingebaut sein kann.
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Grundsätzlich können mit einem Zylinderdrucksensor und geeigneter Auswertung des davon gelieferten Zylinderdrucksignals die Geräusche des Öffnens bzw. des Schließens des Einlass- wie auch des Auslassventils erfasst werden. Für die Ermittlung des Nockenwellenwinkels während der Startphase kann dementsprechend insbesondere der Zeitpunkt eines Störsignals berücksichtigt werden, welches durch ein Öffnen oder ein Schließen eines Einlassventils oder eines Auslassventils hervorgerufen wird. Die jeweilige Stärke der dadurch hervorgerufenen Störsignale hängt z. B. von der konkret gewählten Einbauposition des Sensors ab. Durch einen entsprechenden Einbau des Zylinderdrucksensors, beispielsweise näher einem Einlassventil als einem Auslassventil des betreffenden Zylinders, können qualitativ und/oder quantitativ im Rahmen der Auswertung voneinander unterscheidbare Störsignale einerseits des Einlassventils und andererseits des Auslassventils hervorgerufen werden, so dass vorteilhaft das ein bestimmtes Störsignal hervorrufende Ventil in einfacher Weise identifiziert werden kann (z. B. anhand der Störsignalamplitude).
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels während der Startphase ferner Vorzugsstillstandwinkel der Kurbelwelle berücksichtigt werden. Diese Berücksichtigung kann beispielsweise so wie in der eingangs erwähnten
DE 100 56 862 C1 erfolgen, d. h. indem vorab bekannte bzw. im Steuergerät gespeicherte Vorzugsstillstandwinkel der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle bei der Bestimmung von Kurbelwellenwinkel und Nockenwellenwinkel genutzt werden, um in der Startphase rascher eine vollständige Kenntnis der Position des Motors (Synchronisierung) zu erlangen.
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Mit der Erfindung kann damit ein Schnellstart mit frühzeitiger Sicherheit über die genaue Motorposition und somit mit einer optimalen Voreinspritzstrategie durchgeführt werden.
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Wenn das Ergebnis der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf Störsignale während der Startphase berücksichtigt bzw. neben dem üblicherweise vorhandenen Nockenwellensignal mitberücksichtigt wird, so führt dies zu einer rascheren Kenntnis über die Motorposition. Je nach Anzahl der Zylinder und der konstruktionsbedingt sich hierfür ergebenden Vorzugsstillstandwinkel der Kurbelwelle kann mittels der Erfindung ein erstes Betätigen (insbesondere z. B. Schließen) eines Ventils oftmals besonders vorteilhaft bereits wenige Grad Kurbelwinkel nach dem Betätigen eines Anlassers ermittelt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels während der Startphase und/oder in der anschließenden Normalbetriebsphase das von einem Nockenwellensensor gelieferte Nockenwellensignal berücksichtigt. Diesbezüglich ist jedoch auf die im Rahmen der Erfindung prinzipiell denkbare Möglichkeit hinzuweisen, auf die Nutzung eines Nockenwellensensors bzw. des damit gelieferten Nockenwellensignals bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels zu verzichten. Prinzipiell ist es denkbar, bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels, sei es während der Startphase oder in der anschließenden Normalbetriebsphase, zu diesem Zweck das Auswertungsergebnis betreffend die Störsignale des Zylinderdrucksignals zu nutzen.
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Die Information darüber, ob und wie schnell sich die Kurbelwelle dreht, wird bei bekannten Motoren anhand des Kurbelwellensignals gewonnen. Es handelt sich hierbei üblicherweise um ein ”Zahnsignal”: Jeder Impuls des Kurbelwellensignals entspricht einem Zahn eines mit einer Vielzahl von Zähnen versehenen Geberrades. Der für jeweils eine Kurbelwellenumdrehung (360°) vorgesehene Synchronisationsimpuls entspricht üblicherweise einer einfachen oder doppelten ”Zahnlücke” nach der entsprechenden Anzahl von Zähnen.
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Das Nockenwellensignal dient zur Kodierung des Nockenwellenwinkels, und hat im einfachsten Fall zwei unterschiedliche Pegel, die zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle zugeordnet sind. Das Nockenwellensignal kann jedoch auch andere Signal- bzw. Impulsformen aufweisen. Es sollte jedoch gewährleistet sein, dass das Nockenwellensignal eine Unterteilung jedes Arbeitsspiels des Motors in zwei Segmente (von jeweils 360°) entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwellenumdrehungen (720°) erlaubt.
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Derartige, an sich bekannte Kurbelwellensignale und Nockenwellensignale können vorteilhaft auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Auswertungsergebnis während der Startphase und/oder in der Normalbetriebsphase zur Plausibilisierung des vom Kurbelwellensensor gelieferten Kurbelwellensignals und/oder des vom Nockenwellensensor gelieferten Nockenwellensignals verwendet wird. Damit kann beispielsweise der Fall einer fehlerhaften (defekten) Erzeugung des Kurbelwellensignals und/oder des Nockenwellensignals diagnostiziert, und beispielsweise in einem bei Kraftfahrzeugen üblichen Diagnosespeicher als Fehlereintrag gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Plausibilisierung auch zur Diagnose von irgendwelchen Montagefehlern, beispielsweise von falsch montierten Nockenwellenantrieben wie Zahnriemen oder Ketten verwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die erwähnte Plausibilisierung des Kurbelwellen- und/oder Nockenwellensignals noch weiteren Zwecken dienen.
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So ist gemäß einer Weiterbildung beispielsweise vorgesehen, dass das Ergebnis der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf Störsignale bei Feststellung eines unplausiblen Kurbelwellensignals als Ersatz für dieses Kurbelwellensignal oder zur Berichtigung dieses Kurbelwellensignals und/oder bei Feststellung eines unplausiblen Nockenwellensignals als Ersatz für dieses Nockenwellensignal oder zur Berichtigung dieses Nockenwellensignals verwendet wird.
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Insbesondere kann das gemäß der Erfindung vorgesehene Auswertungsergebnis somit auch zur Drehzahlberechnung und/oder Realisierung eines Notlaufes bei defektem Kurbelwellensensor bzw. einem Defekt im Bereich der Bereitstellung des Kurbelwellensignals (an das Steuergerät) verwendet werden. Dasselbe gilt für den Fall eines defekten Nockenwellensensors bzw. einer fehlerhaften Bereitstellung des Nockenwellensignals.
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Die zusätzlichen Vorteile der Erfindung gehen sogar soweit, dass bei der betreffenden Brennkraftmaschine (z. B. Ottomotor oder Dieselmotor) auf einen Nockenwellensensor ganz verzichtet werden kann. Die Herstellung einer Synchronisation von Kurbelwelle und Nockenwelle kann im Rahmen der Erfindung auch unter Nutzung des Ergebnisses der beschriebenen Zylinderdrucksignalauswertung bewerkstelligt werden.
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Eine weitere im Rahmen der Erfindung interessante Möglichkeit besteht darin, das Auswertungsergebnis zur Erkennung und dann bevorzugt auch Adaption von Abweichungen im Ventiltrieb in Folge von Bauteiltoleranzen und/oder Alterungen zu berücksichtigen. Durch Bauteiltoleranzen und Alterungen kann es insbesondere zu einer Abweichung der konstruktiv vorgesehenen Zeiten bzw. Winkel für Ventilöffnungsvorgänge und Ventilschließvorgänge kommen. In diesem Fall wäre die lediglich anhand des Nockenwellensignals gewonnene Information ungenau, was die Zeitpunkte bzw. Winkel der tatsächlichen Öffnungs- und Schließvorgänge anbelangt. Da mittels der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf Störsignale jedoch die tatsächlichen Öffnungs- und/oder Schließvorgänge der Ventile (auch in der Normalbetriebsphase) detektiert werden können, stellt das Auswertungsergebnis eine in der Praxis äußerst wertvolle Informationsquelle für die Motorsteuerung auch in der Normalbetriebsphase dar.
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Im einfachsten Fall besteht zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle eine feste Winkelzuordnung durch eine drehfeste Kopplung (bei welcher die Nockenwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle umläuft). Mit einer ”Nockenwellenphasenverstellung” kann jedoch die Nockenwelle im Motorbetrieb, üblicherweise Last- und/oder Drehzahl-abhängig gegenüber der Kurbelwelle (und/oder gegenüber einer weiteren Nockenwelle) in gesteuerter Weise verdreht werden. Hierfür verwendete Verstellsysteme, auch Phasenwandler genannt, sind die am weitesten verbreiteten variablen Ventilsteuerungen im Serieneinsatz von Kraftfahrzeugmotoren. Die Nockenprofile selbst und somit Ventilhub und Ventilöffnungsdauer bleiben bei derartigen Phasenwandlern zumeist unverändert. Zweck der Phasenverstellung ist es, in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern des betreffenden Motors (z. B. Last, Drehzahl etc.) die so genannte Ventilüberschneidung zu variieren. Nockenwellenversteller sind sowohl für zwei diskrete Winkelstellungen als auch für eine stufenlose variable Veränderung der relativen Winkelstellung der Nockenwelle bezüglich der betreffenden weiteren Welle im Einsatz. Insbesondere bei einer stufenlosen Nockenwellenphasenverstellung werden im Stand der Technik als eine Eingangsgröße bei der Steuerung der Nockenwellenphasenverstellung lediglich die Sensorsignale des Nockenwellensensors und des Kurbelwellensensors berücksichtigt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Normalbetriebsphase eine Nockenwellenphasenverstellung vorgesehen ist und das Auswertungsergebnis als eine Eingangsgröße bei der Steuerung der Nockenwellenphasenverstellung berücksichtigt wird.
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Durch die vorstehend erwähnte Berücksichtigung (bzw. Mitberücksichtigung neben Kurbelwellensignal und Nockenwellensignal) des Ergebnisses der Auswertung des Zylinderdrucksignals im Hinblick auf die Störsignale bietet die vorliegende Erfindung somit auch einen zusätzlichen Nutzen für eine präzise Ansteuerung von Nockenwellenverstellsystemen. Vorteilhaft kann das auf Basis des Zylinderdrucksignals gewonnene Auswertungsergebnis in der Normalbetriebsphase insbesondere zur Lageeinstellung bzw. -regelung eines Stellgliedes bei einem System zur Nockenwellenphasenverstellung genutzt werden. Aus dem Auswertungsergebnis gehen präzise Zeitpunkte der relevanten Vorgänge im Ventiltrieb hervor, welche als eine wertvolle Ist-Information für eine ansonsten z. B. in herkömmlicher Weise aufgebaute Steuerung bzw. Regelung dienen können.
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Das zum Steuern der Brennkraftmaschine verwendete Steuergerät kann in herkömmlicher Weise als ein elektronisches, insbesondere programmgesteuertes Steuergerät (z. B. Mikrocontroller) vorgesehen sein. Im Rahmen der Erfindung ist das Steuergerät jedoch derart weitergebildet (z. B. durch entsprechende Modifikation der Steuersoftware), dass damit ein Steuerverfahren der oben beschriebenen Art durchgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine in Form eines 4-Takt-Ottomotors,
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2 eine Darstellung eines Zylinderdrucksignalverlaufes in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel bei dem Motor von 1, und
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3 eine Auftragung des hochpassgefilterten Zylinderdrucksignals über den Kurbelwinkel.
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1 veranschaulicht eine Brennkraftmaschine 10, bei welcher es sich hier beispielhaft um einen Vierzylinder-4-Takt-Ottomotor handelt.
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Jedem Zylinder 12 ist mindestens ein Einspritzventil bzw. Kraftstoffinjektor 14 zum Einspritzen von Kraftstoff (hier: Benzin) in ein einlassseitiges Saugrohr der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet.
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Des Weiteren ist jedem Zylinder 12 jeweils mindestens ein Einlassventil 16 und mindestens ein Auslassventil 18 sowie mindestens eine Nockenwelle zur Betätigung der Einlass- und Auslassventile zugeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Nockenwelle 20 zur Betätigung der Einlassventile 16 und eine weitere (nicht dargestellte) Nockenwelle zur Betätigung der Auslassventile 18 vorgesehen.
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In an sich bekannter Weise besteht zwischen den Nockenwellen und einer Kurbelwelle 22 eine z. B. über eine Steuerkette oder dergleichen realisierte Drehkopplungsverbindung, welche dafür sorgt, dass die Nockenwellen im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 22 umlaufen, um damit ein Arbeitsspiel bzw. einen Gaswechsel gemäß des 4-Takt-Verfahrens zu bewerkstelligen.
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Einem elektronischen Steuergerät 24 werden unter anderem ein von der Drehstellung der Nockenwelle 20 abhängiges Nockenwellensignal CAM und ein von der Drehstellung der Kurbelwelle 22 abhängiges Kurbelwellensignal CRK eingegeben. Diese Signale CAM und CRK werden durch eine geeignete Sensorik, hier einen Nockenwellensensor 26 und einen Kurbelwellensensor 28, erzeugt.
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In an sich bekannter Weise werden die Signale CAM und CRK jeweils als Rechtecksignale erzeugt.
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Jeder Impuls des Kurbelwellensignals CRK entspricht einem Zahn eines Geberrades, wobei eine doppelte Zahnlücke für einen Synchronisationsimpuls nach jeweils einer vollen Umdrehung (360°) der Kurbelwelle 22 sorgt. Typischerweise sind am Umfang des Geberrades z. B. 30 oder 60 Zähne (abzüglich der an der ”Lücke” fehlenden Zähne) angeordnet.
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Die beiden unterschiedlichen Pegel des Nockenwellensignals CAM entsprechen zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Kurbelwelle 22.
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Bezüglich dieser Kodierungen der Drehstellungen der Kurbelwelle
22 und der Nockenwelle
20 sei hiermit vollumfänglich auf die eingangs bereits erwähnte Veröffentlichung
DE 100 56 862 C1 verwiesen, in welcher die sich im Motorbetrieb ergebenden zeitlichen Verläufe der Sensorsignale CRK und CAM zeichnerisch dargestellt und näher beschrieben sind.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 steuert das elektronische Steuergerät 24 insbesondere die Kraftstoffeinspritzung (Einspritzzeitpunkte) in die Zylinder 12 mittels des jeweils zugeordneten Kraftstoffinjektors 14 (Ansteuersignal INJ). Darüber hinaus werden mit dem Steuergerät 24 noch andere Vorgänge der Brennkraftmaschine 10 gesteuert, wie hier insbesondere eine Fremdzündung (Zündzeitpunkte) mittels einer jedem Zylinder 12 jeweils zugeordneten Zündkerze 30 (Hochspannungsimpuls IGN).
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Während einer Startphase der Brennkraftmaschine 10 (unmittelbar nach Betätigung eines Anlassers) wird je ein so genannter Kraftstoff-Voreinspritzer pro Zylinder 12 eingespritzt, bevor anschließend in der Normalbetriebsphase von dem Steuergerät 24 gemäß der darin ablaufenden Motorsteuersoftware ermittelte Kraftstoffmengen im normalen sequentiellen Einspritzbetrieb eingespritzt werden.
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Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art ist problematisch, dass es unmittelbar nach Betätigung des Anlassers einer gewissen Zeit bzw. Drehung von Kurbelwelle 22 und Nockenwelle 20 bedarf, bevor anhand der Sensorsignale CRK und CAM auf die genauen Drehstellungen der Kurbelwelle 22 und der Nockenwelle 20 geschlossen werden kann (Synchronisation des Motors). Eine solche möglichst genaue Kenntnis insbesondere der Drehstellung der Nockenwelle 20 ist jedoch von entscheidender Bedeutung für eine Festlegung dahingehend, wann und jeweils für welchen Zylinder 12 die Voreinspritzer abgesetzt werden sollten, um einen optimalen, insbesondere schadstoffminimierten Startvorgang zu gewährleisten.
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Diese Problematik ist bei der dargestellten Brennkraftmaschine 10 dadurch gelöst, dass jedem der Zylinder 12 ein Zylinderdrucksensor 32 zugeordnet ist, welcher ein den aktuellen Zylinderdruck darstellendes Zylinderdrucksignal P (2) an das Steuergerät 24 liefert. Mittels der im Steuergerät 24 ablaufenden Motorsteuersoftware wird das Zylinderdrucksignal P für die Auswertung der Verbrennung in den Zylindern 12 und darauf aufbauend für die Zumessung des Kraftstoffes, der Luftmasse oder eines zurückzuführenden Verbrennungsabgasanteils herangezogen. Für die Lösung der vorstehend erläuterten Problematik entscheidend ist jedoch, dass mittels des Steuergerätes 24 ferner eine Auswertung des Zylinderdrucksignals P im Hinblick auf darin enthaltene Störsignale durchgeführt wird, und dass das Ergebnis dieser Auswertung zumindest während der Startphase der Brennkraftmaschine 10 bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels berücksichtigt wird. Wie nachfolgend erläutert, erlauben diese Störsignale Rückschlüsse auf die Stellungen der Ventile bzw. des Nockenwellenwinkels.
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Jeder Zylinderdrucksensor 32 kann vorteilhaft nach allen aus dem Stand der Technik bereits bekannten Druckmessprinzipien aufgebaut sein und funktionieren. Wenngleich das davon gelieferte Sensorsignal P in erster Linie von dem im betreffenden Zylinder 12 herrschenden Druck bestimmt wird, so ergibt sich in der Praxis, gewissermaßen als Artefakt der Druckmessung, eine Beeinflussung des Sensorsignals P durch Geräusche bzw. durch Körperschall, welcher zu den Zylinderdrucksensoren übertragen wird.
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Verursacht werden solche Geräusche prinzipiell z. B. durch sämtliche mechanischen Vorgänge im Ventiltrieb. Unter den somit erzeugten Störsignalen sind wiederum insbesondere diejenigen dominierend, welche durch den Abschluss eines Ventilschließvorganges hervorgerufen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel führt z. B. das Aufsetzen des Ventiltellers des Einlassventils 16 auf den Ventildichtbereich des Motorblockes zu einem entsprechenden (charakteristischen) Störsignal im Zylinderdrucksignal P.
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Durch die Auswertung des Zylinderdrucksignals P kann somit sehr genau der Zeitpunkt detektiert werden, zu welchem das Einlassventil 16 schließt.
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Prinzipiell und abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass weniger als ein Zylinderdrucksensor pro vorhandenem Zylinder 12 eingesetzt wird. Insbesondere da jedes Ventil der Brennkraftmaschine 10 in einer anderen räumlichen Beziehung (z. B. Abstand) von einem Zylinderdrucksensor steht, kann anhand vorbestimmter Auswertungskriterien eine Zuordnung eines bestimmten Störsignals zu einem bestimmten Ventil erfolgen. Besser und vom Auswertungsaufwand her einfacher ist es, wenn wie bei dem Ausführungsbeispiel auch vorgesehen je ein Zylinderdrucksensor 32 pro Zylinder 12 (an einer diesen begrenzenden Wandung, z. B. im Zylinderkopf) angeordnet ist.
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Eine Vereinfachung der Unterscheidung von Störsignalen, die von den verschiedenen Ventilen ein und desselben Zylinders 12 hervorgerufen werden, lässt sich z. B. dadurch erreichen, dass der betreffende Zylinderdrucksensor 32 nicht ”in der Mitte” zwischen den Ventilen angeordnet ist, sondern z. B. mit deutlich verschiedenen ”akustischen Abständen” zu den einzelnen Ventilen. In diesem Fall werden sich insbesondere die Amplituden der Störsignale unterscheiden, je nach dem, von welchem der Ventile das betreffende akustische Störgeräusch ausging.
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Abweichend von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel könnte die Brennkraftmaschine 10 auch lediglich einen einzigen Zylinder 12 aufweisen. Derartige einzylindrige Brennkraftmaschinen werden z. B. oftmals bei Motorrädern eingesetzt. Auch bei einer einzylindrigen Brennkraftmaschine kann mit Hilfe der Erfindung die Ermittlung des Nockenwellenwinkels während der Startphase verbessert bzw. beschleunigt werden, um auf Basis des Ermittlungsergebnisses einen geeigneten Zeitpunkt für den ersten Kraftstoff-Voreinspritzer beim Motorstart festzulegen.
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Eine Möglichkeit zur Realisierung der Auswertung des Zylinderdrucksignals P wird nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert.
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2 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines an der Brennkraftmaschine 10 mittels des Zylinderdrucksensors 16 gemessenen Zylinderdrucksignals P in Abhängigkeit vom Kurbel(wellen)winkel CRA. In dieser Darstellung entspricht der Wert von CRA = 0° dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung im Zylinder 12. Der Verlauf des Signals P ist hier für den Fall eines geschleppten Betriebes der Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Ein ähnlicher Signalverlauf ergibt sich jedoch auch im Schubbetrieb.
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In 2 deutlich erkennbar ist bei einem Kurbelwinkel CRA von etwa –140° dem tatsächlichen Zylinderdruckverlauf ein Störsignal 51 überlagert, welches im dargestellten Beispiel dem Schließen des Einlassventils 16 zugeordnet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Auswertung des Zylinderdrucksignals P im Hinblick auf solche Störanteile wird das Zylinderdrucksignal P zunächst hochpassgefiltert.
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3 zeigt das Ergebnis einer Hochpassfilterung des Zylinderdrucksignals P von 2. Das hochpassgefilterte Signal PD besteht, wie aus 3 ersichtlich, nahezu lediglich aus den Störsignalen, so dass in einer nachfolgenden Auswertungsstufe die einzelnen Störsignale leichter zu detektieren und den betreffenden Vorgängen im Ventiltrieb zuzuordnen sind.
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Insbesondere nach einer derartigen Hochpassfilterung kann in einfacher Weise eine Auswertung im Hinblick auf diejenigen Störsignale erfolgen, die durch die Einlassventile und/oder Auslassventile bei deren Betätigung hervorgerufen wurden.
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Wie es 3 verdeutlicht, kann somit bereits mit Hilfe eines einfachen Hochpassfilters und der Ermittlung von Störimpulsen (z. B. anhand der Überschreitung einer vorbestimmten Schwelle) ein ”Ventil schließt”-Signal aus dem eigentlichen Zylinderdrucksignal P ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Überprüfung des gefilterten Signals hinsichtlich der Überschreitung einer oder mehrerer vorbestimmter Schwellen könnte z. B. ein Mustervergleich zwischen dem tatsächlich detektierten Signalmuster und vorab gespeicherten und jeweiligen Ventiltriebvorgängen zugeordneten Signalmustern erfolgen. Ein solcher Mustervergleich erfolgt bevorzugt jedoch nur für einen zuvor bereits als solchen identifizierten ”Störsignalverlauf”. Wie bereits erwähnt, kann der Beginn eines solchen Störsignalverlaufes z. B. durch Detektion einer plötzlichen bzw. abnormalen Änderung des Zylinderdrucksignals P festgestellt werden. Der sich im Anschluss daran ergebende Signalverlauf kann zwecks Identifizierung des auslösenden Ereignisses mit vorab gespeicherten Signalmustern verglichen werden, um die Störung einem bestimmten Ventiltriebvorgang zuzuordnen. Eine derartige Vorgehensweise, bei welcher ein Mustervergleich allenfalls für das Störsignal selbst und nicht für einen länger andauernden Signalverlauf durchgeführt wird, liefert besonders rasch ein nutzbares Auswertungsergebnis.
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Die Ermittlung der Drehstellung der Nockenwelle
20 (Nockenwellenwinkel) in der Startphase der Brennkraftmaschine
10 erfolgt grundsätzlich in an sich bekannter Weise unter Nutzung des Kurbelwellensignals CRK und des Nockenwellensignals CAM. Zusätzlich können z. B. Vorzugsstillstandwinkel der Kurbelwelle
22 berücksichtigt werden, um damit eine gezielte Voreinspritzstrategie zu realisieren, wie z. B. in der oben bereits erwähnten Veröffentlichung
DE 100 56 862 C1 beschrieben. Bei der vorliegenden Brennkraftmaschine
10 wird jedoch in jedem Fall, zumindest während der Startphase, das Ergebnis der vorstehend erläuterten Auswertung des Zylinderdrucksignals P (bzw. von dessen hochpassgefilterter Version PD) bei der Ermittlung des Nockenwellenwinkels berücksichtigt.
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Zusammenfassend wird bei der Brennkraftmaschine 10 die Anfälligkeit des Zylinderdrucksensors 32 auf Störgeräusche ausgenutzt, um daraus eine Information über die Motorposition abzuleiten und somit einen verbesserten Schnellstart der Brennkraftmaschine 10 zu ermöglichen.
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Auch im Hinblick auf die sich an einem Motorstart anschließende Normalbetriebsphase der Brennkraftmaschine 10 bietet die aus dem Zylinderdrucksignal P gewonnene Information eine Vielzahl von Vorteilen.
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Falls beispielsweise die Brennkraftmaschine 10 mit einer so genannten variablen Ventilsteuerung (z. B. ”Phasenwandler”) ausgestattet ist, so bedeutet dies eine nicht mehr eindeutige bzw. vom Zustand des betreffenden Verstellsystems abhängige Zuordnung zwischen Nockenwellenwinkel und Ventilbetätigung. Mit der Verwendung von Zeitpunkten wie ”Ventil schließt”, die aus dem Zylinderdrucksignal P ermittelt werden, liegt dem Steuergerät 24 stets eine echte physikalische Rückmeldung über die Position des Ventils vor. Diese Information kann daher vorteilhaft bei der Ansteuerung des entsprechenden Verstellsystems genutzt werden.
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Weiterhin kann diese Information z. B. verwendet werden, um Fehler bzw. Abweichungen bei Nockenwellenlagesensoren (der variablen Ventilsteuerung) zu detektieren bzw. zu adaptieren.
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Es ist sogar ein Betrieb des Motors ohne Nockenwellensensor möglich (indem stattdessen das Ergebnis der Auswertung des Zylinderdrucksignals P herangezogen wird). Ferner ist z. B. ein Notlauf des Motors bei einem Defekt des Kurbelwellensensors und/oder des Nockenwellensensors möglich.
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Wenn beim Zusammenbau des Motors 10 die drehwinkelmäßige Zuordnung zwischen Nockenwelle 20 und Kurbelwelle 22 in Grundposition nicht korrekt durchgeführt wird, z. B. bei einem Auswechseln eines Nockenwellenzahnriemens in einer Kfz-Werkstatt, so hat die Motorsteuerung 24 eine falsche Information über die Position der Nockenwelle 22. Dies hätte normalerweise zur Folge, dass die Parameter für die Verbrennung nicht richtig vom Motorsteuergerät 24 eingestellt werden können, was zu erhöhten Emissionen, schlechtem Motorlauf, und im Extremfall sogar zu Motorschäden führen kann. Eine ähnliche Problematik ergibt sich bei Abweichungen durch Fertigungstoleranzen, Alterung usw. Derartige Zusammenbaufehler und auch erst später im Betrieb auftretende Abweichungen von der Sollposition bzw. -konfiguration können mit Hilfe der Auswertung des Zylinderdrucksignals P jedoch vorteilhaft erfasst und berücksichtigt werden.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung die Steuerung einer ein- oder mehrzylindrigen Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Kraftstoffinjektor (14) je Zylinder (12), mindestens einer Nockenwelle (20) zur Betätigung von Einlassventilen (16) und/oder Auslassventilen (18), und mit einem Steuergerät (24), welches die Kraftstoffinjektoren (14) so steuert, dass sie während einer Startphase der Brennkraftmaschine (10) je einen Kraftstoff-Voreinspritzer pro Zylinder (12) einspritzen. Um während der Startphase eine verbesserte Voreinspritzstrategie zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung mindestens ein von einem Zylinderdrucksensor (32) zur Messung des Drucks in einem Zylinder (12) geliefertes Zylinderdrucksignal (P) im Hinblick auf Störsignale (S1) ausgewertet und das Auswertungsergebnis zumindest während der Startphase bei einer Ermittlung des Nockenwellenwinkels berücksichtigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10056862 C1 [0003, 0007, 0017, 0046, 0064]
